多维度超表面全息加密结构及方法

本发明属于超表面加密。

背景技术：

1、全息术自1948年由denis gabor提出以来，已成为完美重建物体图像最先进的成像技术之一，全息术通过记录数值来计算波的相位信息，然后重建目标。超表面全息利用其在相位、幅度、频率和极化方面对电磁波特性的强大控制能力，可以实现多路复用，并拥有超越传统全息的信息处理能力。它解决了传统全息成像的局限性，并提供了诸如宽视场、抑制不必要的衍射和高信息容量等优点。因此超表面全息成像成为了目前最高效的全息成像技术之一。然而，在目前报道的超表面全息成像中，通常存在信息容量少，安全性低等缺陷，为了满足超表面携带信息容量和安全性不断增长的需求，设计者需要考虑超表面的信息承载能力和信息的安全性。

2、目前利用电磁物理维度精确地调控超表面的电磁响应，已经成功地开发了各种全息加密方法。这些物理维度包括入射角、极化状态、频率、方向和轨道角动量等。虽然在这些加密方案中使用电磁物理维度可以在一定程度上提高安全性和容量，但一维物理维度加密的方法仍然容易受到暴力攻击，并在信息容量和多样性方面受到限制。而多维物理维度加密方法大大提高了信息容量和安全性，使未经授权的解密更具挑战性。此外，轨道角动量作为一种自由度，因其无界的螺旋模式和固有的正交性而被广泛用于加密，提供了巨大的信息容量，并显示出高容量全息加密的潜力。尽管超表面全息加密取得了这些进步，但仍需要探索将轨道角动量与其他电磁物理维度相结合的多维度超表面全息加密方法，以满足大数据时代的信息需求。

技术实现思路

1、本发明是为了解决现有超表面的物理维度加密方法信息容量有限和安全性差的问题，现提供基于轨道角动量、频率和极化状态的多维度超表面全息加密方法。

2、多维度超表面全息加密结构包括按照多维度加密全息相位编码排布的多个超表面单元，所述多维度加密全息相位编码通过多维度加密全息算法计算获得；

3、所述多维度加密全息算法为：采用全息相位算法计算超表面单元的目标全息相位，并将所述目标全息相位与特定频率和极化状态下的轨道角动量涡旋相位进行相加，之后对相加获得的多维度加密全息相位进行编码，所述特定频率和极化状态为密钥的传输通道频率和极化状态；

4、所述超表面单元包括：介电层衬底、第一谐振器、第二谐振器、第三谐振器和第四谐振器；

5、所述第一谐振器的外轮廓与介电层衬底的外轮廓相同，所述第一谐振器的中心开有一个圆形孔，该圆形孔的外侧设有两个镜像对称且开口相对的c形槽，且两个c形槽与所述圆形孔同心设置；

6、所述第二谐振器包括两个镜像对称且开口相对的c形金属条，所述c形金属条的外径小于所述圆形孔的内径；

7、所述第三谐振器包括一个金属圆环，所述金属圆环上开有两个镜像对称且开口相对的弧形槽，且两个弧形槽与所述金属圆环同心设置，所述金属圆环的外径小于所述c形金属条的内径；

8、所述第四谐振器包括圆环形金属片和“工”字形金属片，所述“工”字形金属片包括两个弧形金属条和一条连接金属条，所述两个弧形金属条镜像对称且开口相对，所述连接金属条位于两个弧形金属条之间且两端分别与两个弧形金属条的中点相连，所述连接金属条的中点与所述圆环形金属片的圆心重叠设置，所述圆环形金属片的外径小于所述金属圆环的内径；

9、所述第一谐振器、第二谐振器、第三谐振器和第四谐振器的几何中心重叠并由外向内依次嵌套布置在所述介电层衬底的上表面。

10、多维度超表面全息加密方法，具体如下：

11、采用全息相位算法计算超表面单元的目标全息相位，并将所述目标全息相位与特定频率和极化状态下的轨道角动量涡旋相位进行相加，获得多维度加密全息相位；

12、对所述多维度加密全息相位进行编码，获得多维度加密全息相位编码；

13、将多个超表面单元按照所述多维度加密全息相位编码进行排布，实现多维度超表面全息加密；

14、所述特定频率和极化状态为密钥的传输通道频率和极化状态；

15、所述超表面单元包括：介电层衬底、第一谐振器、第二谐振器、第三谐振器和第四谐振器；

16、所述第一谐振器的外轮廓与介电层衬底的外轮廓相同，所述第一谐振器的中心开有一个圆形孔，该圆形孔的外侧设有两个镜像对称且开口相对的c形槽，且两个c形槽与所述圆形孔同心设置；

17、所述第二谐振器包括两个镜像对称且开口相对的c形金属条，所述c形金属条的外径小于所述圆形孔的内径；

18、所述第三谐振器包括一个金属圆环，所述金属圆环上开有两个镜像对称且开口相对的弧形槽，且两个弧形槽与所述金属圆环同心设置，所述金属圆环的外径小于所述c形金属条的内径；

19、所述第四谐振器包括圆环形金属片和“工”字形金属片，所述“工”字形金属片包括两个弧形金属条和一条连接金属条，所述两个弧形金属条镜像对称且开口相对，所述连接金属条位于两个弧形金属条之间且两端分别与两个弧形金属条的中点相连，所述连接金属条的中点与所述圆环形金属片的圆心重叠设置，所述圆环形金属片的外径小于所述金属圆环的内径；

20、所述第一谐振器、第二谐振器、第三谐振器和第四谐振器的几何中心重叠并由外向内依次嵌套布置在所述介电层衬底的上表面。

21、进一步的，上述密钥为涡旋波束，所述涡旋波束通过密钥超表面获得，所述密钥超表面包括多个按照轨道角动量涡旋相位编码排布的多个超表面单元；

22、通过涡旋波束相位算法分别计算各超表面单元中四个谐振器对应通道所需的轨道角动量相位掩膜获得轨道角动量涡旋相位，对该轨道角动量涡旋相位进行编码，获得轨道角动量涡旋相位编码。

23、进一步的，上述介电层衬底的厚度为2mm，介电常数为2.2，损耗角正切值为0.001，材料为聚四氟乙烯；所述介电层衬底的表面为正方形，所述正方形的边长为12mm。

24、进一步的，上述第一谐振器的两个c形槽端部之间距离为0.3mm，所述c形槽的宽度为0.3mm、外半径为5.7mm，所述第一谐振器的圆形孔半径为5mm。

25、进一步的，上述第二谐振器的两个c形金属条端部之间距离为0.7mm，所述c形金属条的宽度为0.3mm、外半径为4.5mm。

26、进一步的，上述第三谐振器的两个弧形槽端部之间距离为0.3mm，所述弧形槽宽度为0.3mm、外半径为3.6mm，所述金属圆环的外半径为3.9mm，所述金属圆环内外径之差为0.9mm。

27、进一步的，上述第四谐振器的圆环形金属片的外半径为2.7mm、宽度为0.3mm，所述弧形金属条的外半径为1.9mm、宽度为0.3mm、圆心角为120°。

28、本发明所述的多维度超表面全息加密结构及方法，能够同时将多个不同的电磁物理维度结合在一起，并任意叠加它们的状态作为多维密钥来实现图像信息的加密和解密。只有当入射电磁波具有特定的轨道角动量、频率和极化状态组合时，才能恢复隐藏的信息。本发明同时利用多种物理维度的加密方法提高了安全性，为先进的全息加密平台奠定了基础，还解决了现有方案中数据容量有限的问题。此外，本发明理论上具有无限的信息通道(源自轨道角动量特性)，能够满足日益增长的并行高安全性信息传输需求。